CN105923742A - 污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统和堵塞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统和堵塞预警方法，其中，污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统包括测量控制装置、输入输出模块、系统控制器和人机交互界面，测量控制装置包括安装在污水处理厂曝气干管上的干管气体压力计，安装在污水处理厂曝气支管上的支管气流等比调节阀、支管气体流量计和/或支管气体压力计，以及安装在曝气池进水口前管道上的进水液体流量计和/或安装在曝气池上与曝气区域相对应位置的曝气区液位计；输入输出模块通过电缆与各测量控制装置相连接，系统控制器与鼓风机和输入输出模块直接连接，人机交互界面与系统控制器相连接。

Description

污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统和堵塞预警方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，尤其涉及一种污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统和堵塞预警方法。

背景技术

我国污水处理厂规模发展迅速，主流工艺中普遍采用好氧曝气技术实现污染物的稳定和有效削减。根据文献统计，曝气系统的电耗占据了污水处理厂总电耗的40％～60％，因此曝气系统的成本控制技术在污水处理的节能降耗中受到重视。曝气系统的能耗主要来自于鼓风机的能量损失、管路系统的阻力损失和曝气器的局部阻力损失。其中，鼓风机和管路系统的能量损失一般根据工艺的调整而改变，因此可以使用工艺优化来调整；而曝气器的局部损失主要受管路堵塞、曝气器破损、表面污染等影响，往往随着时间的增加而增加，一般通过清洗或更换曝气器进行控制。常见的曝气器堵塞原因有盐类结晶沉析、生物膜附着生长、管路冷凝水或污泥堵塞等，这些原因可能交互影响和促进，因此需要及时检测和判断曝气器的阻力特性，预测阻力变化趋势，及时采取处理措施。但是，由于曝气器淹没在水下，很难发现曝气器的破损和污染现象。

目前，一般通过观测曝气状态、检测鼓风机背压来判断曝气器是否需要清洗或更换。观测曝气状态是一种定性方法，通过观测曝气池液面的气泡形态来定性推测曝气器污损情况。这种方法只能在判别严重堵塞或破损的情况下使用，无法进行预警，也就不能及时采取预防措施。检测鼓风机出口压力是一种定量检测方法，通过鼓风机出口压力变化趋势可以粗略判断曝气器堵塞情况。但是，鼓风机输出压力受到曝气池液位、阀门调节、温度等多种因素干扰，且干扰幅度大，因此难以识别幅度较小、变化缓慢的阻力升高因素，导致不能及时发现曝气器的阻力变化趋势，不能预警曝气器的清洗需求，使曝气器表面污染等长期缓慢积累，最后出现曝气器大面积维修、更换和停产，引起较大损失。

此外，我国地下污水处理厂发展迅速，池面封闭给曝气器更换带来巨大困难和很高成本，因此迫切需要能够准确监测和控制曝气器阻力损失的方法，以便及时对曝气器实施相应的处理措施，延长曝气器的使用寿命，减少曝气系统能耗。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统和堵塞预警方法，可在线监测和实时输出曝气区域阻力特征值，从而判断曝气器工作阻力特性，为曝气器清洗和鼓风机节能降耗提供支持。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，其特征在于，该系统包括测量控制装置、输入输出模块、系统控制器和人机交互界面，其中，测量控制装置包括安装在污水处理厂曝气干管上的干管气体压力计，安装在污水处理厂曝气支管上的支管气流等比调节阀、支管气体流量计和/或支管气体压力计，以及安装在曝气池进水口前管道上的进水液体流量计和/或安装在曝气池上与曝气区域相对应位置的曝气区液位计；输入输出模块通过电缆与各测量控制装置相连接，系统控制器与鼓风机和输入输出模块直接连接，人机交互界面与系统控制器相连接。

支管气流等比调节阀、曝气区液位计、支管气体流量计和/或支管气体压力计的数目与污水处理厂中曝气支管和曝气区域的数量相匹配。

系统控制器采用可编程控制器；人机交互界面采用触摸屏。

一种污水处理厂曝气器堵塞预警方法，基于所述的污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，包括以下步骤：

1)实时采集各测量控制装置的监测数据，并进行数据平滑处理，得到曝气区域的如下参数：干管气体压力P₀，单位Pa，由位于支管气流等比调节阀之前的干管气体压力计监测；支管气流等比调节阀的阀门开度D，范围0～1，无量纲，由支管气流等比调节阀监测；曝气区域进水流量Q_in，等于处理水量、污泥回流量和混合液回流量之和，单位m³/hr，由进水液体流量计监测；曝气池水深H_L，单位m，由曝气区液位计监测；支管气体流量Q_air，单位m³/hr，由支管气体流量计监测；支管气体压力P₁，单位Pa，由位于支管气流等比调节阀之后的支管气体压力计监测；

2)根据得到的曝气区域参数实时计算曝气区域的压力损失，其中，单个曝气区域压力损失的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}P=P_1-(1-\frac{Q_{air}}{Q_{in}}\·\frac{\sqrt{A_s}}{H_L-h_L})\·{\mathrm{\ρ}}_{0}g(H_L-h_L)$

式中，ΔP为曝气区域压力损失，单位Pa；h_L为曝气区域工作面距离曝气池底的高度，单位m；A_s为单个曝气器的服务面积，单位m²；ρ₀为混合液的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²；

3)根据计算得到的曝气区域压力损失，实时计算曝气区域内曝气器的阻力损失系数，并绘制阻力损失系数随时间变化的曲线，同时实时记录和显示在人机交互界面上；其中，阻力损失系数的计算公式为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{2\mathrm{\Δ}P}{{\mathrm{\ρv}}^2}=2\·\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}\·{\left(\frac{nA}{Q_{air}}\right)}^2$

式中，ξ为阻力损失系数，无量纲；v为气体通过曝气器的流速，单位m/s；Q_air为支管气体流量值，单位需换算为m³/s；n为支管气体流量对应的曝气器数量，单位pc；A为单个曝气器的工作面积，单位m²/pc；ρ是空气的密度，单位kg/m3，通常取值为1；

4)根据实时计算得到的曝气区域阻力损失系数ξ描述当前状态下曝气区域的动态阻力特性，比较当前阻力损失系数与模糊评价等级，得出曝气器阻塞和破损的程度，以及需要采取的针对性处理措施；

5)根据历史记录的曝气区域阻力损失系数ξ的变化曲线，分析阻力损失系数随时间变化的趋势，判断曝气器是否发生破损或阻塞，并根据判断结果给出处理的对策；

6)根据计算得到的曝气区域压力损失ΔP实时计算能耗损失成本，并绘制能耗损失成本随时间变化的曲线，同时实时记录和显示在人机交互界面上；其中，能耗损失成本的计算公式为：

$M=a\·\frac{\mathrm{\Δ}P\·Q_{air}}{\mathrm{\η}\·150}$

式中，M为能耗损失成本，即曝气器阻力损失的电费，单位元/d；a为电费单价，单位元/kWh；η为鼓风机有用功占所耗电能的比例，单位％。

7)根据能耗损失成本随时间变化曲线，分析和判断经济损益，判断采取清洗及更换曝气器措施的必要性，确定清洗和更换曝气器的操作时间点。

所述步骤1)中，当未设置进水液体流量计监测曝气区域的进水流量Q_in或未设置曝气区液位计监测曝气池水深H_L时，根据曝气区域进水流量Q_in与曝气池水深H_L的相互关系，使用已有监测数据计算未直接监测的数据；曝气区域进水流量Q_in与曝气池水深H_L之间的关系表达式为：

$H_L=h_0+(h_{st}-h_0)\·{\left(\frac{Q_{in}}{Q_{st}}\right)}^2$

式中，h₀为静水条件下曝气池水深，即曝气池底部距离液体表面的距离，单位m；Q_st为设计工况下的进水流量，单位m³/hr；h_st为设计工况进水流量Q_st下曝气池水深，单位m。

所述步骤1)中，当未设置支管气体流量计监测支管气体流量Q_air或未设置支管气体压力计监测支管气体压力P₁时，根据支管气体流量Q_air与支管气体压力P₁的相互关系，使用已有监测数据计算未直接监测的数据；支管气体流量Q_air与支管气体压力P₁之间的关系表达式为：

$Q_{air}=28.5\·\frac{K_{V,m}}{R^{1-D}}\·\frac{\sqrt{(P_0-P_1)\·P_1}}{{10}^5}$

式中，K_V,m为支管气流等比调节阀最大开度所对应的流量系数，查产品说明书可得，无量纲；R为支管气流等比调节阀的可调比，查产品说明书可得，无量纲。

所述步骤4)中的阻力损失系数的模糊评价等级，是根据累计记录的历史曝气区域阻力损失和阻力损失系数，并与历史或其他工艺进行比较，形成的用于评估曝气区域内曝气器的阻塞和破损情况的指标，根据阻力损失系数的数值范围判断曝气器阻力损失的严重程度；阻力损失系数的模糊评价等级具体包括：当阻力损失系数波动范围为10⁷～5×10⁸时，阻力水平为L级别，阻力损失程度为阻力损失很小，常见情景为穿孔管曝气；当阻力损失系数波动范围为5×10⁸～10⁹时，阻力水平为M级别，阻力损失程度为阻力损失较大，常见情景为膜曝气、刚玉盘；当阻力损失系数波动范围为10⁹～5×10⁹时，阻力水平为H级别，阻力损失程度为阻力损失严重，常见情景为长期使用的刚玉盘；当阻力损失系数波动范围为5×10⁹～10¹⁰时，阻力水平为HH级别，阻力损失程度为阻力损失十分严重，常见情景为曝气管线泥水淤塞。

所述步骤5)中根据阻力损失系数随时间变化曲线判断曝气器状态的标准和对策具体包括：当曲线变化类型为随机波动时，表示曝气器运行正常，操作对策为维持运行；当曲线变化类型为突然下降时，表示曝气器出现了破损，操作对策为维修或更换曝气器；当曲线变化类型为缓慢上升时，表示曝气器表面发生了堵塞，操作对策为对曝气器进行定期药剂清洗；当曲线变化类型为快速上升时，表示发生了曝气管线严重堵塞，操作对策为排除泥水或更换曝气器。

所述步骤7)中的判断标准为：当能耗损失成本与初始值的差值大于曝气器的清洗成本时，需要执行清洗操作；当能耗损失成本与初始值的差值大于曝气器更换成本时，需要执行更换操作。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可以实时监测和显示曝气器的阻力性能，并识别阻力异常模式，明显改善了依据鼓风机出口风压对阻力特征的模糊判断，能够支持对曝气器清洗维护的精细管理。2、本发明系统结构紧凑，算法简单，在现有工程上改造比较容易，且设备和维护成本低，容易推广和实施。3、本发明可计算和输出能耗、阻力损失成本等经济数据，从而支持工艺的节能降耗管理。

附图说明

图1是本发明的测量控制装置的布置示意图；

图2是本发明污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统的结构示意图；

图3为实施例1的曝气区域水深计算结果；

图4为实施例1的阻力损失历史曲线；

图5为实施例1的阻力损失系数历史曲线；

图6为实施例1的阻力损失增加成本；

图7为实施例2的曝气支管气体流量计算结果；

图8为实施例2的阻力损失系数历史曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

附图1中的箭头方向表示液体的流动方向。

如图1和图2所示，本发明提供的一种污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，其包括测量控制装置1、输入输出模块2、系统控制器3和人机交互界面4，其中，测量控制装置1包括干管气体压力计11、支管气流等比调节阀12、进水液体流量计13和/或曝气区液位计14以及支管气体流量计15和/或支管气体压力计16。干管气体压力计11安装在污水处理厂的曝气干管5上，支管气流等比调节阀12、支管气体流量计15和/或支管气体压力计16安装在曝气支管6上，进水液体流量计13安装在曝气池7进水口前的管道上，曝气区液位计14安装在曝气池7上与曝气区域相对应的位置。

输入输出模块2通过电缆与各测量控制装置1相连接；系统控制器3与鼓风机9和输入输出模块2直接连接，同时，系统控制器3通过输入输出模块2与各测量控制装置1连接，实现运行状态和监测变量的实时通讯，传递数据；系统控制器3采集各测量控制装置1的监测数据和鼓风机9的状态数据，进行数据平滑处理后计算曝气器8的阻力系数；人机交互界面4与系统控制器3相连接，用于实时记录和显示曝气器8的阻力系数，辅助工艺人员对曝气器8的阻力特性进行分析和判断。

上述实施例中，支管气流等比调节阀12、曝气区液位计14、支管气体流量计15和/或支管气体压力计16的数目与污水处理厂中曝气支管6和曝气区域的数量相匹配。

上述实施例中，系统控制器3采用可编程控制器(PLC)，如西门子S7-300。

上述实施例中，人机交互界面4采用触摸屏(HMI)，如研华触摸屏一体机。

为了评估曝气器8的阻力特性，实现曝气器阻力的实时检测与诊断预警，本发明提供了一种污水处理厂曝气器堵塞预警方法，技术思路如下：首先计算曝气器8的局部阻力损失，排除进水流量波动、气体阀门调节、鼓风机调节等多种因素对鼓风机背压的影响，得到实际损失的能耗；其次，计算无量纲的阻力损失系数，排除气体流速对局部阻力损失的影响，用于横向比较不同时间或不同曝气器8的阻力损失特征；最后，构建信号采集和数据处理系统，运用上述原理性的检测方法，采用可视化界面辅助运行人员决策。基于上述污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，本发明的污水处理厂曝气器堵塞预警方法具体包括以下步骤：

1)系统控制器3通过输入输出模块2实时采集各测量控制装置1的监测数据，并进行数据平滑处理，得到曝气区域的如下参数：干管气体压力P₀，单位Pa，由位于支管气流等比调节阀12之前的干管气体压力计11监测；支管气流等比调节阀12的阀门开度D，范围0～1，无量纲，由支管气流等比调节阀12监测；曝气区域进水流量Q_in，等于处理水量、污泥回流量和混合液回流量之和，单位m³/hr，由进水液体流量计13监测；曝气池水深H_L，单位m，由曝气区液位计14监测；支管气体流量Q_air，单位m³/hr，由支管气体流量计15监测；支管气体压力P₁，单位Pa，由位于支管气流等比调节阀12之后的支管气体压力计16监测。同时，系统控制器3采集鼓风机9的运行状态(正在运行)和出口压力(该值大于P₁)数据，以验证支管气体压力P₁。

当未设置进水液体流量计13监测曝气区域的进水流量Q_in或未设置曝气区液位计14监测曝气池水深H_L时，可根据曝气区域进水流量Q_in与曝气池水深H_L的相互关系，使用已有监测数据计算未直接监测的数据。曝气区域进水流量Q_in与曝气池水深H_L之间的关系表达式如下：

$H_L=h_0+(h_{st}-h_0)\·{\left(\frac{Q_{in}}{Q_{st}}\right)}^2---\left(1\right)$

式中，h₀为静水条件下曝气池水深，即曝气池底部距离液体表面的距离，单位m；Q_st为设计工况下的进水流量，单位m³/hr；h_st为设计工况进水流量Q_st下曝气池水深，单位m。

当未设置支管气体流量计15监测支管气体流量Q_air或未设置支管气体压力计16监测支管气体压力P₁时，可根据支管气体流量Q_air与支管气体压力P₁的相互关系，使用已有监测数据计算未直接监测的数据。支管气体流量Q_air与支管气体压力P₁之间的关系表达式如下：

$Q_{air}=28.5\·\frac{K_{V,m}}{R^{1-D}}\·\frac{\sqrt{(P_0-P_1)\·P_1}}{{10}^5}---\left(2\right)$

式中，K_V,m为支管气流等比调节阀最大开度所对应的流量系数，查产品说明书可得，无量纲；R为支管气流等比调节阀的可调比，查产品说明书可得，无量纲。

2)系统控制器3根据得到的曝气区域参数分别实时计算各曝气区域的压力损失。

单个曝气区域压力损失的计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}P=P_1-(1-\frac{Q_{air}}{Q_{in}}\·\frac{\sqrt{A_s}}{H_L-h_L})\·{\mathrm{\ρ}}_{0}g(H_L-h_L)---\left(3\right)$

式中，ΔP为曝气区域压力损失，单位Pa；h_L为曝气区域工作面距离曝气池底的高度，单位m；A_s为单个曝气器的服务面积，单位m²；ρ₀为混合液的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²。

3)系统控制器3根据计算得到的曝气区域压力损失，实时计算曝气区域内曝气器的阻力损失系数，并绘制阻力损失系数随时间变化的曲线，同时实时记录和显示在人机交互界面4上。

阻力损失系数的计算公式如下：

$\mathrm{\ξ}=\frac{2\mathrm{\Δ}P}{{\mathrm{\ρv}}^2}=2\·\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}\·{\left(\frac{nA}{Q_{air}}\right)}^2---\left(4\right)$

式中，ξ为阻力损失系数，无量纲；v为气体通过曝气器的流速，单位m/s；Q_air为支管气体流量值，单位需换算为m³/s；n为支管气体流量对应的曝气器数量，单位pc；A为单个曝气器的工作面积，单位m²/pc；ρ是空气的密度，单位kg/m3，通常取值为1。

4)根据累计记录的历史曝气器阻力损失和阻力损失系数，并与历史或其他工艺进行比较，可形成用于评估曝气区域内曝气器的阻塞和破损情况的指标，根据阻力损失系数的数值范围判断曝气器阻力损失的严重程度，从而建立阻力损失系数的模糊评价等级，如下表1所示。根据实时计算得到的曝气区域阻力损失系数，可以描述当前状态下曝气区域的动态阻力特性，将动态阻力特性与阻力损失系数的模糊评价等级进行比较，得出对曝气器阻塞和破损情况的评估结果；根据评估结果，我们可以及时得到处理的时间和对策，以采取针对性的处理措施。

表1阻力损失系数的模糊评级等级

级别	取值范围	程度	常见情景
				L	107～5×108	阻力损失很小	穿孔管曝气
M	5×108～109	阻力损失较大	膜曝气、刚玉盘
				H	109～5×109	阻力损失严重	长期使用的刚玉盘
HH	5×109～1010	阻力损失十分严重	曝气管线泥水淤塞

5)根据历史记录的曝气区域阻力损失系数的变化曲线，分析阻力损失系数随时间变化的趋势，判断曝气器是否发生了破损和阻塞，并根据判断结果给出处理的对策。判断标准为：当曲线快速下降时，表示曝气器出现了破损；当曲线缓慢上升时，表示曝气器发生了堵塞；当曲线急剧上升时，表示发生了曝气管线严重堵塞。具体如下表2所示。

表2阻力损失系数曲线变化的含义与对策

曲线变化类型	曲线含义	操作对策
			随机波动	运行正常	维持运行
突然下降	曝气器破裂	维修、更换曝气器
			缓慢上升	曝气器表面堵塞	定期药剂清洗
快速上升	曝气管线严重堵塞	排除泥水、更换曝气器

6)系统控制器3根据曝气区域的压力损失实时计算能耗损失成本，并绘制能耗损失成本随时间变化的曲线，同时实时记录和显示在人机交互界面4上。

能耗损失成本的计算公式如下：

$M=a\·\frac{\mathrm{\Δ}P\·Q_{air}}{\mathrm{\η}\·150}---\left(5\right)$

式中，M为能耗损失成本，即曝气器阻力损失的电费，单位元/d；a为电费单价，单位元/kWh；η为鼓风机有用功占所耗电能的比例，单位％。

7)根据能耗损失成本随时间变化曲线，分析和判断经济损益，判断采取清洗及更换曝气器措施的必要性，确定清洗和更换曝气器的操作时间点。判断标准为：当能耗损失成本与初始值的差值大于曝气器的清洗成本时，可执行清洗操作；当能耗损失成本与初始值的差值大于曝气器更换成本时，需要执行更换操作。

本发明提供了更加准确描述曝气器阻力特性变化趋势的方法和指标，实现原位和实时观测和计算，从而实时监测阻力特性，预测阻力变化趋势，及时采取处理措施。这一方面可以评估曝气器的堵塞状态后及时清洗，延长使用寿命；另一方面可以在线监测和控制曝气器的阻力损失，避免鼓风机背压过快升高，从而降低鼓风机能耗。下面以两个具体实施例，进一步说明本发明的污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统和堵塞预警方法。

实施例一：

某AAO工艺污水处理厂采用刚玉球形曝气盘，处理规模10万吨/天，分为两个并行系列，共10个曝气区域。采用如图1所示的方式布置测量控制装置，具体方式为：在两个并行系列的进水管线上布置E+H公司的电磁式进水流量计，在曝气干管上布置E+H公司的气体压力计，在10个曝气支管上分别布置E+H公司的气体压力计和气体质量流量计，以及国产V形球阀等比调节支管气体流量，因工艺原因未安装曝气区域的液位计。系统控制器采用西门子S7-300的可编程控制器，在其中采用梯形图编写程序；各测量控制装置与系统控制器的输入输出模块连接，并通过输入输出模块与系统控制器的中央处理器进行实施通讯，传递数据；系统控制器的中央处理器在线采集测量控制装置的监测数据，进行数据平滑处理后，计算曝气支管对应区域的曝气阻力系数。人机交互界面为研华触摸屏一体机，在其中使用组态软件编写程序，实时记录和显示系统控制器采集和计算得到的历史数据，辅助工艺人员对曝气器阻力特性进行分析和判断。通过控制器实时计算得到的曝气器阻力损失及阻力损失系数，可用于评估曝气器的阻塞和破损情况，从而指导采取针对性的处理措施

通过系统控制器采集测量控制装置的监测数据，得到曝气区域的如下参数：曝气区域进水流量Q_in等于处理水量、污泥回流量和混合液回流量之和，波动范围为5700～6200m³/hr；支管气体流量Q_air的取值范围为1000～2000m³/hr；支管气体压力P₁的取值范围为65～69kPa；以及干管气体压力P₀和支管气流等比调节阀的阀门开度D。

由于没有安装曝气区液位计，未能直接获取曝气池水深H_L，但可以根据实时监测的曝气区域进水流量Q_in采用公式(1)计算；式中，静水条件下曝气池水深h₀等于曝气池出水堰高度，取值为6.50m；设计工况下的进水流量Q_st考虑内外回流流量，取6000m³/hr；设计工况进水流量Q_st下曝气池水深h_st取值6.75m；从而得到曝气池水深H_L的变化范围约为6.72～6.78m，具体计算结果如图3所示。

根据得到的曝气区域参数，使用公式(3)计算曝气区域的当前压力损失；式中，曝气器工作面距离曝气池底的高度h_L取0.20m；单个曝气器的服务面积A_s取值为0.4m²/pc；混合液的密度ρ₀近似为水，取值10³kg/m³；重力加速度g取值9.8m/s²；具体计算结果如图4所示。

根据计算得到的曝气区域压力损失，采用公式(4)计算阻力损失系数；式中，支管气体流量值Q_air的取值范围为1000～2000m³/hr，换算为0.28～0.52m³/s；支管气体流量对应的曝气器数量n取600pc；单个曝气器的工作面积A按直径0.26m计算，取值0.05m²/pc；空气的密度ρ取值1kg/m³；具体计算结果如图5所示。

根据阻力损失系数ξ所属的数值范围判断曝气器阻力损失的严重程度，可与历史或其他工艺进行比较，模糊评价等级如表1所示。从图3可知，该污水处理厂的阻力损失系数为2～3×10⁹，等级为H级，曝气器的阻力损失成本较大。

其次，可以根据阻力损失系数ξ的历史曲线判断是否发生了破损和阻塞，如图5所示，当曲线快速下降时，表示曝气器出现了破损；当缓慢上升时，表示曝气器发生了堵塞；当急剧上升时，表示发生了曝气管线严重堵塞。

最后，根据计算得到的曝气区域的压力损失，采用公式(5)实时计算能耗损失成本M；式中，电费单价a取值0.5元/kWh；有用功占所耗电能的比例η取值50％；支管气体流量值Q_air波动范围600～1200m³/hr；具体计算结果如图6所示。

根据能耗损失成本M，分析和判断经济损益，对清洗及更换措施进行预警。如图6所示，该案例污水处理厂初始曝气器压力损失成本M为50元/d；随着运行时间增加，损失成本M会逐渐增加。当M值大于150元/d时，曝气器阻塞导致能耗损失增加的幅度大于100元/d，高于曝气器的清洗成本，建议执行清洗操作。当M值大于250元/d时，阻力损失幅度大于200元/d，可以考虑执行曝气器更换或拆卸清洗。

实施例二：

某地下污水处理厂，采用如图1所示的方式布置测量控制装置，具体安装了进水液体流量计、曝气干管气体压力计、曝气支管气体压力计、曝气支管气流等比调节阀(菱形阀)等，未安装曝气区液位计、支管气体质量流量计。

采用与实施例一相同的方式，根据实时监测的曝气区域进水流量Q_in采用公式(1)估计计算曝气区域的水深值H_L。

由于未安装支管气体质量流量计，需要根据实时监测的干管气体压力P₀和支管气流等比调节阀的阀门开度D以及支管气体压力值P₁，按照公式(2)计算支管气体流量值Q_air；式中，支管气流等比调节阀的阀门开度D的变化范围为50～100％；该等比调节阀最大开度所对应的流量系数K_V,m由阀门厂家提供，根据管径查表取值320；等比调节阀的可调比R由阀门厂家提供，取值30；干管气体压力值P₀的波动范围为79～82kPa；调节阀后支管气体压力值P₁的波动范围为75～77kPa。当支管气流等比调节阀的阀门开度D为60％和100％时，计算流量分别为320和1500，从而计算得到的支管气体流量值Q_air分别为1300和7500m³/hr。在1天内周期调节支管气流等比调节阀的阀门开度D，得到的计算结果如图7所示，其中，虚线为支管气流等比调节阀的阀门开度D，实线为支管气体流量值Q_air。

根据得到的曝气区域参数，使用公式(3)计算曝气区域的压力损失；然后根据据计算得到的曝气区域压力损失，采用公式(4)计算阻力损失系数，结果如图8所示。

可以看到，本实施例的阻力损失系数波动范围为1～2×10⁹，阻力水平也在H级别，阻力损失较大，需要加强清洗维护。从历史曲线可知，当使用1年后，阻力损失系数明显上升，根据该曲线可以判断清洗维护操作的合适时间。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，其特征在于，该系统包括测量控制装置、输入输出模块、系统控制器和人机交互界面，

其中，测量控制装置包括安装在污水处理厂曝气干管上的干管气体压力计，安装在污水处理厂曝气支管上的支管气流等比调节阀、支管气体流量计和/或支管气体压力计，以及安装在曝气池进水口前管道上的进水液体流量计和/或安装在曝气池上与曝气区域相对应位置的曝气区液位计；

输入输出模块通过电缆与各测量控制装置相连接，系统控制器与鼓风机和输入输出模块直接连接，人机交互界面与系统控制器相连接。

2.如权利要求1所述的污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，其特征在于，支管气流等比调节阀、曝气区液位计、支管气体流量计和/或支管气流压力计的数目与污水处理厂中曝气支管和曝气区域的数量相匹配。

3.如权利要求1或2所述的污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，其特征在于，系统控制器采用可编程控制器；人机交互界面采用触摸屏。

4.一种污水处理厂曝气器堵塞预警方法，基于如权利要求1至3中任一项所述的污水处理厂曝气器阻力特性实时监测系统，包括以下步骤：

1)实时采集各测量控制装置的监测数据，并进行数据平滑处理，得到曝气区域的如下参数：干管气体压力P₀，单位Pa，由位于支管气流等比调节阀之前的干管气体压力计监测；支管气流等比调节阀的阀门开度D，范围0～1，无量纲，由支管气流等比调节阀监测；曝气区域进水流量Q_in，等于处理水量、污泥回流量和混合液回流量之和，单位m³/hr，由进水液体流量计监测；曝气池水深H_L，单位m，由曝气区液位计监测；支管气体流量Q_air，单位m³/hr，由支管气体流量计监测；支管气体压力P₁，单位Pa，由位于支管气流等比调节阀之后的支管气体压力计监测；

2)根据得到的曝气区域参数实时计算曝气区域的压力损失，其中，单个曝气区域压力损失的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}P=P_1-(1-\frac{Q_{air}}{Q_{in}}\·\frac{\sqrt{A_s}}{H_L-h_L})\·{\mathrm{\ρ}}_{0}g(H_L-h_L)$

式中，ΔP为曝气区域压力损失，单位Pa；h_L为曝气区域工作面距离曝气池底的高度，单位m；A_s为单个曝气器的服务面积，单位m²；ρ₀为混合液的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²；

3)根据计算得到的曝气区域压力损失，实时计算曝气区域内曝气器的阻力损失系数，并绘制阻力损失系数随时间变化的曲线，同时实时记录和显示在人机交互界面上；

其中，阻力损失系数的计算公式为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{2\mathrm{\Δ}P}{{\mathrm{\ρv}}^2}=2\·\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}\·{\left(\frac{nA}{Q_{air}}\right)}^2$

式中，ξ为阻力损失系数，无量纲；v为气体通过曝气器的流速，单位m/s；Q_air为支管气体流量值，单位需换算为m³/s；n为支管气体流量对应的曝气器数量，单位pc；A为单个曝气器的工作面积，单位m²/pc；ρ是空气的密度，单位kg/m3，通常取值为1；

4)根据实时计算得到的曝气区域阻力损失系数ξ描述当前状态下曝气区域的动态阻力特性，比较当前阻力损失系数与模糊评价等级，得出曝气器阻塞和破损的程度，以及需要采取的针对性处理措施；

5)根据历史记录的曝气区域阻力损失系数ξ的变化曲线，分析阻力损失系数随时间变化的趋势，判断曝气器是否发生破损或阻塞，并根据判断结果给出处理的对策；

6)根据计算得到的曝气区域压力损失ΔP实时计算能耗损失成本，并绘制能耗损失成本随时间变化的曲线，同时实时记录和显示在人机交互界面上；其中，能耗损失成本的计算公式为：

$M=a\·\frac{\mathrm{\Δ}P\·Q_{air}}{\mathrm{\η}\·150}$

式中，M为能耗损失成本，即曝气器阻力损失的电费，单位元/d；a为电费单价，单位元/kWh；η为鼓风机有用功占所耗电能的比例，单位％。

7)根据能耗损失成本随时间变化曲线，分析和判断经济损益，判断采取清洗及更换曝气器措施的必要性，确定清洗和更换曝气器的操作时间点。

5.如权利要求4所述的污水处理厂曝气器堵塞预警方法，其特征在于，所述步骤1)中，当未设置进水液体流量计监测曝气区域的进水流量Q_in或未设置曝气区液位计监测曝气池水深H_L时，根据曝气区域进水流量Q_in与曝气池水深H_L的相互关系，使用已有监测数据计算未直接监测的数据；曝气区域进水流量Q_in与曝气池水深H_L之间的关系表达式为：

$H_L=h_0+(h_{st}-h_0)\·{\left(\frac{Q_{in}}{Q_{st}}\right)}^2$

式中，h₀为静水条件下曝气池水深，即曝气池底部距离液体表面的距离，单位m；Q_st为设计工况下的进水流量，单位m³/hr；h_st为设计工况进水流量Q_st下曝气池水深，单位m。

6.如权利要求4所述的污水处理厂曝气器堵塞预警方法，其特征在于，所述步骤1)中，当未设置支管气体流量计监测支管气体流量Q_air或未设置支管气体压力计监测支管气体压力P₁时，根据支管气体流量Q_air与支管气体压力P₁的相互关系，使用已有监测数据计算未直接监测的数据；支管气体流量Q_air与支管气体压力P₁之间的关系表达式为：

$Q_{air}=28.5\·\frac{K_{V,m}}{R^{1-D}}\·\frac{\sqrt{(P_0-P_1)\·P_1}}{{10}^5}$

式中，K_V,m为支管气流等比调节阀最大开度所对应的流量系数，查产品说明书可得，无量纲；R为支管气流等比调节阀的可调比，查产品说明书可得，无量纲。

7.如权利要求4所述的污水处理厂曝气器堵塞预警方法，其特征在于，所述步骤4)中的阻力损失系数的模糊评价等级，是根据累计记录的历史曝气区域阻力损失和阻力损失系数，并与历史或其他工艺进行比较，形成的用于评估曝气区域内曝气器的阻塞和破损情况的指标，根据阻力损失系数的数值范围判断曝气器阻力损失的严重程度；阻力损失系数的模糊评价等级具体包括：当阻力损失系数波动范围为10⁷～5×10⁸时，阻力水平为L级别，阻力损失程度为阻力损失很小，常见情景为穿孔管曝气；当阻力损失系数波动范围为5×10⁸～10⁹时，阻力水平为M级别，阻力损失程度为阻力损失较大，常见情景为膜曝气、刚玉盘；当阻力损失系数波动范围为10⁹～5×10⁹时，阻力水平为H级别，阻力损失程度为阻力损失严重，常见情景为长期使用的刚玉盘；当阻力损失系数波动范围为5×10⁹～10¹⁰时，阻力水平为HH级别，阻力损失程度为阻力损失十分严重，常见情景为曝气管线泥水淤塞。

8.如权利要求4所述的污水处理厂曝气器堵塞预警方法，其特征在于，所述步骤5)中根据阻力损失系数随时间变化曲线判断曝气器状态的标准和对策具体包括：当曲线变化类型为随机波动时，表示曝气器运行正常，操作对策为维持运行；当曲线变化类型为突然下降时，表示曝气器出现了破损，操作对策为维修或更换曝气器；当曲线变化类型为缓慢上升时，表示曝气器表面发生了堵塞，操作对策为对曝气器进行定期药剂清洗；当曲线变化类型为快速上升时，表示发生了曝气管线严重堵塞，操作对策为排除泥水或更换曝气器。

9.如权利要求4所述的污水处理厂曝气器堵塞预警方法，其特征在于，所述步骤7)中的判断标准为：当能耗损失成本与初始值的差值大于曝气器的清洗成本时，需要执行清洗操作；当能耗损失成本与初始值的差值大于曝气器更换成本时，需要执行更换操作。